7-11. О лучшем трансформаторе
Силовой трансформатор — это, можно сказать, самый любимый объект для экстремальных упражнений электриков. Конструкция трансформатора несложна: сердечник из стальных листов охвачен обмотками из медных или алюминиевых проводников (рис. 7-7). Но этот общий принцип конструкции допускает огромное количество разнообразных вариаций.
М. О. Доливо-Добровольский первый исследовал, как зависят потери в трансформаторе от его конструкции, как меняются с конструкцией и вес, и стоимость трансформатора. Впоследствии много работал над технико-экономическим анализом трансформаторов Милан Видмар.
Мощность трансформатора пропорциональна произведению полного магнитного потока через его стальной сердечник на полный ток в его медных или алюминиевых обмотках. При определенной плотности магнитного потока в стали и определенной плотности тока в проводниках мощность трансформатора пропорциональна произведению сечения стали в сердечнике на сечение проводников в обмотках.
Трансформатор на заданную мощность может быть построен по-разному: можно сделать тонкие обмотки и сердечник большого сечения. Или, наоборот, взять тонкий сердечник и большого сечения обмотки.
Какой же трансформатор является самым выгодным?
Самое трудное в этом вопросе — четко установить, что же именно мы понимаем под словами «самый выгодный трансформатор».
Рис. 7-7. Схема конструкции трансформатора со стальным сердечником.
Слева — стержневой тип, справа — броневой.
Можно, например, пожелать построить самый дешевый трансформатор. Задавшись этим условием, можно составлять уравнения для решения задачи на максимум и минимум.
Стоимость трансформатора — это сумма стоимостей меди, стали и изоляции в нем. Затраты труда при изготовлении больших трансформаторов невелики, и стоимость трансформатора в основном определяется стоимостью идущих на него материалов, а не стоимостью рабочей силы. Мощность же трансформатора, как сказано выше, пропорциональна произведению сечения стального сердечника на сечение медных обмоток. Из этих условий решение на экстремум дает, что в самом дешевом трансформаторе стальной сердечник должен стоить столько же, сколько его медные или алюминиевые обмотки.
Трансформаторная сталь стоит в несколько раз дешевле меди, и поэтому в таком «наилучшем трансформаторе» стальной сердечник будет весить в 4—5 раз больше, нежели медная обмотка.
Но не всегда самый дешевый трансформатор значит — самый выгодный. Если, к примеру, трансформатор должен работать на самолете, то самое важное — это малый вес. Такой же «самый легкий» трансформатор выгоден для переносных рентгеновских установок, которые требуется доставлять к постели больного.
Снова проводим рассуждение: мощность трансформатора в первом приближении прямо пропорциональна произведению весов его сердечника и обмоток, полный же вес трансформатора — это сумма весов сердечника и обмоток. Минимальный полный вес получается, когда оба слагаемые равны, когда обмотки трансформатора весят столько же, сколько его сердечник.
Можно отыскивать и наивыгоднейшее распределение меди между первичной и вторичной обмотками трансформатора. Можно ее разделить поровну — это будет симметричный трансформатор. А можно учесть то, что обмотки по-разному размещены на сердечнике, по-разному нагружаются и охлаждаются, и внести в это симметричное распределение меди всяческие поправки.
Но можно подойти к понятию «самый выгодный трансформатор» еще и с других сторон.
Выгодность эксплуатации того или иного трансформатора определяется не только его начальной ценой. В эксплуатации важно, чтобы невелики были потери энергии в трансформаторе.
Потери энергии в обмотках трансформатора зависят от их нагрузки током. Когда трансформатор не нагружен, то потери в его обмотках равны нулю. Зато потери в стальном сердечнике трансформатора неизменны, работает ли трансформатор вхолостую или нагружен на полную мощность.
Если трансформатор всегда одинаково и равномерно нагружен, то выгоднее всего, чтобы потери в его сердечнике были равны потерям в его обмотках. При этом условии получаются наименьшие суммарные потери в трансформаторе.
Но часто встречаются и другие режимы работы трансформаторов. Те трансформаторы, что питают осветительные сети, нагружены только во время темноты, когда зажжены лампы. Все остальное время эти трансформаторы работают вхолостую. В этих «осветительных» трансформаторах выгоднее уменьшать потери в стальном сердечнике и допускать большие потери в обмотках.
